再生能源供應負載測試

目前路燈燈具也有很多種，早期大都採照明效率較差的白熱燈、日光燈或水 銀燈，近年由於科技進步，大部份的路燈已改裝為高功率水銀燈或鈉氣燈為主，

其工作電壓為 110 伏特或 220 伏特的交流電源，但是太陽能供電系統所產生 將會儲存至蓄電池，蓄電池所提供的電源為 12 伏特直流電源，無法直接供 應路燈使用，必須經由直流-交流轉換器(DC-AC)將直流 12 伏特的電源，轉 換成 AC220 伏特或 AC110 伏特的交流電源供應負載，直流-交流轉換器

(inverter，稱變頻器、逆變器或電壓轉換器)是一個可將直流電變換成交流電 的電路，其架構可分為電力轉換電路與控制電路兩部份。電力轉換電路包括 橋式換流器與濾波電路，輸入直流鏈經過橋式換流器轉換成正弦脈波寬度調 變波後，再經由濾波電路將高頻諧波成份濾除，即可得到一無失真之正弦波 電壓。控制電路採用數位信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，數位 化可以讓一個系統具有可靠性高、精確度高、可程式規劃、維護容易、容易 模組化設計等優點，並且藉由控制開關的切換可完成變壓及變頻的功能，一 般電力轉換器的輸出有三種波形，方波(Square wave)、修正型方波(Modified square wave)與純弦波(Pure sine wave)，如圖 4.29 所示，從富立葉分析的角 度來說，正弦波可以稱為基波或基本波，因為沒有夾帶任何諧波( Harmonics ) 成分，而方波是由許多弦波成份組合，許多諧波將會造成台電在電力傳輸的 損失或造成設備的損失，因此電力轉換器的輸出波形愈接近正弦波，將會對 路燈系統有較好的效益，方波轉換器諧波成份較大，適合用於較小熱電阻負 載與白幟燈，修正型方波轉換器比方波轉換器具有抑制較大突波與諧波成 份，可以操作於馬達、照明與電視機等設備，但是供應計時器與微波爐將會 得到錯誤的計時，純弦波的諧波成份較少，可供應較靈敏的電子設備[31]。

本研究為了了解修正型方波與純弦波對於系統所供應負載的影響程 度，以下列三個部分量測，第一部分先將修正型方波與純弦波電壓轉換器分 別接再生能源的電力輸出，量測電壓波形變化；第二部份將再生能源電力與 市電分別送入轉換器供應 40W 的日光燈，量測電壓與電流波形變化；第三 部分測試轉換器是否可以承受電力瞬間切換。

第一部分的測試可以從圖 4.30 與圖 4.34 得知電壓轉換器的電壓量測結 果，第二部份利用示波器量測轉換器的輸出接至日光燈的電壓與電流變化，

如圖 4.31 與圖 4.32 所示，每一個電壓切換的瞬間都產生大電流，轉換器必 須在每一個電壓切換的瞬間承受瞬間功率，否則轉換器將會燒毀，利用市電

供給日光燈電力，比較市電與轉換器的電壓與電流波形，圖 4.33 為市電供 給日光燈電力的波形，在波形變動瞬間並沒有產生瞬間功率，由於發電站最 後所需供應的負載為 12 盞日光燈，如果接上所有負載將會產生更大的電流 突波，改用 12V 1000W 的純弦波轉換器供應所有的路燈負載，圖 4.34 與圖 4.35 為純弦波轉換器的電壓波形與諧波成份。圖 4.36 與表 4.4 為轉換器實體 圖與 Wenchi & Brothers 公司生產的純弦波轉換器 INT-1000W 規格。

第三部份輸出測試以下列兩種方式進行，第一種為了確認電源供應是否 可以承受電力瞬間切換，本系統先以一盞 400W 的鹵素燈當作模擬路燈系 統，並具有紅外線感測的功能，電源正式送入系統後，經由能源管理將路燈 開關，將可確定電力是否會造成能源供應的不穩定，經由多次測試紅外線的 感應外界的變化所切換光源，此系統電力不會因燈源的開與關而造成能源供 應不穩定等現象。第二種測試日光燈瞬間切換的啟動時間，當電源正式供應 一盞日光燈後，啟動時間需要 5 秒，如果真的將此日光燈使用在真實系統 上，將會造成延遲供應光源，因此改用電子式啟動器取代日光燈傳統型的啟 動器，即可減少啟動時間至兩秒，改善之前的問題。

最後使用需要注意下列幾點，第一點為正確連接電壓轉換器的正負極 性，否則將會造成保險絲的燒斷；第二點為最大輸入電壓不能超過額定輸入 電壓的上限，一般使用 12V 的鉛酸蓄電池逆變器使用電壓為 10.5～15V。低 於 10.5V，或高於 15.6V，電壓轉換器將會進入關機保護；第三點為電壓轉 換器不使用時應切斷輸入電源，因為會有一定的空載電流或待機電流；第四 點為電壓轉換器的輸出功率要依據所供應負載的功率兩倍至三倍為較佳，第 五點為正確選擇輸入負載的波形，如同先前使用 1000W 修正型方波轉換器 供應 40W 的日光燈管，圖 4.31 為電壓與電流的量測波形，將會產生最大切 換瞬間功率，雖然沒有超過轉換器的額定功率，但是在多次大功率的運作 下，容易造成負載或轉換器的毀損。

針對第三點空載電流或待機電流的問題，第一階段解決的辦法是結合電 壓轉換器(INT-1000W)的遠端遙控與太陽能充電器(SL-10L-12V)，由於此太 陽能充電器具有限制蓄電池電壓工作在最高充電與最低放電的範圍之內，且 具有輸出負載電力的時間設定，因此利用電壓轉換器的遠端遙控電源開關電 路即可在夜間開始供電給路燈使用，等到蓄電池電量不足或電量設定時間到 後，透過遠端遙控關閉電壓轉換器，第二階段是將能源管理與第一階段相結 合，系統動作必須符合下列條件，第一個必須在夜間，第二個必須在蓄電池 電量足夠，第三個必須有人車通行才供電，因此利用太陽能充電器與能源管 理結合，太陽能充電器能夠感測日夜變化供給負載電力，又可以保護蓄電池 在正常的工作範圍內，利用能源管理機制，只要有人車進入車道，測發感測 器立即送出啟動電壓轉換器的訊號，只要蓄電池電力足夠與在夜間等條件成 立，遠端遙控電路將立即送出開啟電壓轉換器，直到人車離開車到才將電壓 轉換器關閉，圖 4.38 為降低待機電流的控制方式方塊圖。

(a) 方波 (b) 修正型弦波

(c) 純弦波

圖 4.29 常見轉換器輸出波形[37]

圖 4.30 修正型弦波輸出波形

圖 4.31 修正型弦波輸入日光燈之電壓與電流波形

圖 4.32 日光燈所產生的電流突波

圖 4.33 市電供應日光燈之波形

圖 4.34 純弦波轉換器輸出波形

圖 4.35 純弦波轉換器的諧波成份

圖 4.36 DC-AC 轉換器實體圖(INT-1000W) 表 4.4 純弦波轉換器規格表

MODEL NO. INT-1000W-12 MODEL NO. INT-1000W-12 Output power 1000W Low battery shutdown 10 ± 0.5Vdc

Input Vdc 10-16Vdc High battery shutdown 15 ± 0.5Vdc Output Vac 230 Thermal protection 60 + 10℃ / 140

+ 18℉

Output frequency 60Hz Cooling Fan Output waveform True sine wave Fuse 35A * 4pc

Standby current 220V:1.3A Dimensions（L×W×H） 390 × 223 × 103mm Efficiency 85% max. Net weight 5.2kgs Output voltage

regulation Vac + 2V ± 5% Low battery alarm 10.5 ± 0.5Vdc

Protections

1. Low battery alarm 2. Low battery shutdown 3. High battery shutdown

4. Input polarity protection (by fuse) 5. Overload protection

6. Thermal protection

7. Out short circuit protection (by electronic circuit)

(註1):偵測蓄電池與設定供電時間；(註2): 控制電壓轉換器的是否供電 (a) 第一階段控制方式 (b) 第二階段控制方式

圖 4.37 降低待機電流的控制方式